基于混沌分形理论低温目标连续光谱散射特性研究

目前我国目标散射特性研究成果不适用于空间环境，研究真空低温目标连续光谱散射特性是空间科学一项重要内容。.课题基于混沌分形理论和双向反射分布函数(BRDF)，开展近地空间低温目标连续光谱散射特性研究：(1)建立低温目标散射特性混沌分形模型。它具有数学表达和物理散射机理一致性，解决传统方法无法反映散射信号所具有的时空混沌特性和分形特性；(2)仿真低温目标表面，模拟随机散射场。利用混沌分形理论，研究衡量表面轮廓不规则性的分形维数和特征长度变化对目标散射特性影响；(3)研制低温连续光谱BRDF测量系统并实验研究散射特性。温度200-300K，光谱400-10600nm，测量偏差<0.05，实验分析散射特性与入/反射空间方位及温度、波长关系，建BRDF统计模型，对比理论模型，研究适用性强、精准性高表征目标散射特性模型的构建方法。.以上理论和实验将为复杂太空目标散射/辐射相关问题深入系统研究奠定基础。

本项目进行的目标散射特性研究综合利用了混沌分形理论、辐射传输理论与电磁散射理论等多种非线性工具结合环境温度、光谱因素等研究了确定目标系统内部的非线性因素相互作用机理，揭示了不同粗糙表面在相同的外界环境作用下表现出的不同散射特性物理本质。. 首先利用以分形理论为基础的改进带限WM(Weierstrass–Mandelbrot)函数对粗糙表面进行了模拟，并与传统模型进行了比较，分析了基本波数和不同谐波数等特征参数对分形表面粗糙程度的影响。其次从电磁散射理论和辐射传输理论分别研究了分形表面散射特性。亥姆霍兹方程入手，由数理方程中的格林公式得到介质分界面散射场的积分方程，并对该积分方程进行数值分析，得到了目标材料表面介质分界面上电磁场及其导数的严格积分结果。从而根据格林函数的数值积分，对一维分形函数随机表面电磁散射场进行数值计算。同时，推导出基于基尔霍夫近似理论的二维分形粗糙面散射场，在HH极化条件下，导出了二维分形面的平均散射系数和平均强度系数。利用辐射传输理论双向反射分布函数（BRDF），在COMSOL Multiphysics 环境中，研究了不同分形维数、光源波长，入射天顶角等因素对分形表面空间散射特性的影响。再次考虑到电磁场本身具有时变性质，因此对电磁散射波的时间特性也进行了研究。重点对一维分形表面散射波信号进行混沌特性分析，对散射波时间序列数据进行相空间重构，确定出时间延迟 和嵌入维数 ，计算相空间的混沌不变量，关联维数和最大Lyapunov指数，随着光源空间位置变动，得出分形表面散射波具有时空混沌特性。最后利用自行研制的散射特性测量系统，对黑镍、碳纤维、碳化硅和石英玻璃四种目标材料的表面散射BRDF值进行了实际测量，光源入射角度变化对BRDF的影响进行了分析，并与仿真结果进行了对比。. 基于混沌分形理论的散射特性深入研究，对空间目标探测和识别、目标图像解译和反演、运动物体位置和速度检测都具有重要的理论价值和现实意义。